Redes de Computadores

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1 Redes de Computadores Parte I: Introdução Fevereiro, 2012 Professor: Reinaldo Gomes Evolução na Comunicação Comunicação sempre foi uma necessidade humana, buscando aproximar comunidades distantes Sinais de fumaça Pombo-correio Telégrafo (século XIX) - Código Morse Redes Telefônicas Redes de Distribuição: TV, Rádio, TV a cabo 1

2 Evolução no Processamento Iniciada durante a década de 50, com o surgimento dos primeiros sistemas de computadores Baseados em grandes equipamentos para processamento e armazenamento de informações Evolução no Processamento Processamento batch (1950) Terminais interativos (1960) - sistemas operacionais de tempo compartilhado. Problemas: confiabilidade configuração do sistema não agradava ao usuário dependência de um gerenciamento centralizado 2

3 Evolução no Processamento Tecnologia digital e micro eletrônica Mini e micro computadores pessoais com preço reduzido (1970) Descentralização Individualização Evolução no Processamento Redes Locais compartilhamento de recursos distribuição e paralelismo correio eletrônico transferência de arquivos 3

4 Evolução da Comunicação nas Empresas Evolução da Comunicação nas Empresas 4

5 Evolução da Comunicação nas Empresas Evolução da Comunicação nas Empresas 5

6 Evolução da Comunicação nas Empresas Aplicações possíveis Shopping Eletrônico Tele- conferência Distribuição via Redes de GPS Integração Eletrônica de Documentos Video sob demanda Home Banking Outras... 6

7 Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História O que é a Internet? Milhões de elementos de computação interligados: hospedeiros = sistemas finais Executando aplicações distribuídas Enlaces de comunicação: fibra, cobre, radiofrequencia largura de banda variável Roteadores: encaminham pacotes (blocos de dados) para seus destinos finais 7

8 O que é a Internet? Protocolos: controlam o envio e a recepção de mensagens ex.: PPP, IP, TCP, UDP, HTTP, FTP Internet: rede de redes fracamente hierárquica Internet pública e Internets privadas (intranets) Internet standards RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force Serviços de Internet Infra-estrutura de comunicação permite aplicações distribuídas: Web, , jogos, e-commerce, compartilhamento de arquivos Serviços de comunicação oferecidos: Sem conexão Orientado à conexão 8

9 Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História O que é um protocolo? Protocolos humanos: Que horas são? Eu tenho uma pergunta. Apresentações msgs específicas enviadas ações específicas tomadas quando msgs são recebidas ou outros eventos Protocolos de comunicação em redes: Máquinas no lugar de humanos Toda atividade de comunicação na Internet é governada por protocolos PROTOCOLOS DEFINEM OS FORMATOS, A ORDEM DAS MSGS ENVIADAS E RECEBIDAS PELAS ENTIDADES DE REDE E AS AÇÕES A SEREM TOMADAS NA TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE MENSAGENS 9

10 O que é um protocolo? Um protocolo humano e um protocolo de rede de computadores: 19 Partes de um protocolo O serviço oferecido As hipóteses sobre o ambiente onde ele executa, incluindo os serviços utilizados pelo protocolo O vocabulário de mensagens utilizado para implementá-lo O formato de cada mensagem do vocabulário Os algoritmos garantindo a consistência na troca de mensagens e a integridade do serviço oferecido 10

11 O que estudaremos sobre protocolos? Como reconhecer um bom projeto de protocolo? Por exemplo, julgando pela sua sobrevivência: Ethernet e IP são bons; protocolos token ring não são muito bons. Quais os aspectos positivos e negativos em um protocolo? Ex.: TCP se adapta a congestionamentos, mas assume que a Internet entrega os pacotes ordenados! Utilizaremos exemplos de protocolos para analisar estas e outras questões Características de Protocolos Especificação do protocolo: A descrição do protocolo é completa e acurada. Safety: Um protocolo faz o que deve fazer todo o tempo. Liveness: Um protocolo é livre de deadlock. Eficiência: Um protocolo utiliza os recursos disponíveis de uma forma eficiente. Justiça (fairness): utilização justa ou contratual dos recursos Simplicidade é desejável mas não necessária! 11

12 Desempenho de protocolos Atraso médio: Tempo entre a transmissão do primeiro bit e a recepção do mesmo pelo destino. Vazão ou capacidade: Número total de bits transmitidos dividido pelo tempo entre a transmissão do primeiro bit e a entrega do último bit no destino Uma visão mais de perto da estrutura da rede: Borda da rede: aplicações e hospedeiros Núcleo da rede: roteadores rede de redes Redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação 24 12

13 Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História As bordas da rede Sistemas finais (hospedeiros): Executam programas de aplicação Ex.: Web, Localizam-se nas extremidades da rede Modelo cliente/servidor O cliente toma a iniciativa enviando pedidos que são respondidos por servidores Ex.: Web client (browser)/ server; client/server Modelo peer-to-peer: Mínimo (ou nenhum) uso de servidores dedicados Ex.: Gnutella, KaZaA 13

14 Serviço Orientado a Conexão Utilizado para transferência de dados entre sistemas finais Handshaking: estabelece as condições para o envio de dados antes de enviá-los Alô: protocolo humano Estados de conexão controlam a troca de mensagens entre dois hospedeiros TCP - Transmission Control Protocol Realiza o serviço orientado à conexão da Internet Serviço TCP [RFC 793] Transferência de dados confiável e seqüêncial, orientada à cadeia de bytes Perdas: reconhecimentos e retransmissões Controle de fluxo: Evita que o transmissor afogue o receptor Controle de congestão: 27 Transmissor reduz sua taxa quando a rede fica congestionada Serviço sem conexão Utilizado para transferência de dados entre sistemas finais O mesmo de antes! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: oferece o serviço sem conexão na camada de Transporte da Internet Transferência de dados não confiável Sem controle de fluxo Sem controle de congestão Aplicações que utilizam TCP: HTTP (Web), FTP (transferência de arquivo), Telnet (login remoto), SMTP ( ) Aplicações que utilizam UDP: Streaming media, teleconferência, DNS, telefonia IP 14

15 O núcleo da rede Malha de roteadores interconectados A questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede? Comutação de circuitos: usa um canal dedicado para cada conexão. Ex.: rede telefônica Comutação de pacotes: dados são enviados em blocos discretos Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História 15

16 Elementos internos (roteadores) ISP ISP Companhia Elementos internos (roteadores) Decidem pela melhor rota ou caminho a ser tomado por uma mensagem em trânsito O destinatário pode estar diretamente conectado ao roteador ou não Cada roteador possui portas onde se conectam os enlaces ou linhas de comunicação Quanto mais portas mais complicado/demorado é para um roteador decidir para onde encaminhar a mensagem em trânsito 16

17 Enlaces de comunicação (links) ISP ISP Companhia Enlaces de comunicação (links) Propagam as mensagens entre duas ou mais estações Os enlaces são formados por meios físicos de transmissão de sinais ópticos ou eletro-magnéticos Ar (rádio freqüência, canais de satélite, etc.) Fios metálicos (cobre, etc.) Fibra ótica Cada meio tem vantagens e limitações (+depois) 17

18 Enlaces de comunicação (links) Exemplos: Comutação Como os enlaces serão compartilhados entre as diversas estações comunicantes? Comutação ou chaveamento Forma como será realizada a alocação de recursos para a transmissão na rede Modalidades de comutação Comutação de circuitos Comutação de pacotes 18

19 Comutação de circuitos Os recursos necessários ao longo de um caminho (enlaces, buffers, banda, etc) são reservados durante o tempo em que durar a comunicação Recursos dedicados: não há compartilhamento Formação de um circuito virtual Necessidade de estabelecimento da conexão fim-a-fim Exemplos: Rede telefônica Comutação de circuitos ISP ISP Companhia 19

20 Comutação de circuitos Recursos da rede (ex.: capacidade de transmissão) dividido em pedaços Pedaços alocados às chamadas Pedaço do recurso desperdiçado se não for usado pelo dono da chamada (sem divisão) Formas de divisão da capacidade de transmissão em pedaços Divisão-em-freqüência (FDM) Divisão temporal (TDM) Comutação de circuitos: FDMA 20

21 Comutação de circuitos: TDMA Comutação de circuitos: TDMA e FDMA 21

22 Comutação de pacotes A mensagem a ser transmitida é dividida em pacotes (pedaços menores) Recursos são compartilhados e usado sob-demanda Após transmitir um pacote, o enlace ou canal fica disponível para quem desejar transmitir (não há reserva de recursos) O enlace fica reservado a um pacote apenas durante o tempo de transmissão do pacote Comutação de pacotes Cada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes: A 10 Mbits/s Ethernet multiplexação estatística C B 1.5 Mbits/s fila de pacotes esperando pelo enlace de saída 22

23 Comutação de pacotes Como não há reserva de recursos: Pedidos por recursos podem extrapolar a capacidade real instalada! Congestionametos: pacotes são enfileirados nos elementos intermediários da rede para serem processados e transmitidos Store-and-forward: pacotes movem-se um passo de cada vez Cada roteador armazena os pacotes recebidos numa fila, processa-os e, quando houver disponibilidade de enlace, transmite-os para o próximo elemento (roteador ou host) Comutação de pacotes Exemplo: L R R R L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps Atraso = 15 segundos (3*L/R) L/R = tempo de transmissão de uma mensagem L com uma taxa de R bps 23

24 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = = LAN = WAN = WAN Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = 24

25 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = 25

26 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = 26

27 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = 27

28 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = 28

29 Comutação de pacotes Exemplo: M1 M2 = = Comutação de Circuitos X Comutação de pacotes Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a mesma rede! Veja o seguinte exemplo: Enlace de 1 Mbit/s Cada usuário: 100 Kbits/s quando ativo Ativo 10% do tempo Comutação de circuitos: 10 usuários Comutação de pacotes: Ex.: Com 35 usuários, probabilidade de ocorrer mais do que 10 usuários ativos simultaneamente é menor que 0,

30 Comutação de Circuitos X Comutação de pacotes A comutação de pacotes é melhor sempre? Ótima para dados esporádicos Melhor compartilhamento de recursos Não há estabelecimento de chamada Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes Protocolos são necessários para transferência confiável, controle de congestionamento Como obter um comportamento semelhante ao de um circuito físico? Garantias de taxa de transmissão são necessárias para aplicações de áudio/vídeo Problema ainda sem solução (IP trabalha baseado no serviço de melhor esforço!) 59 Redes de pacotes: roteamento Redes de datagramas: O endereço de destino determina o próximo salto Rotas podem mudar durante uma sessão Analogia: dirigir perguntando o caminho Redes de circuitos virtuais: Cada pacote leva um n o que determina o próximo salto Rota é fixa e escolhida no estabelecimento da conexão Roteadores guardam o estado de cada conexão 30

31 Redes de acesso e meios físicos P.: Como conectar o sistema final ao roteador de borda? Redes de acesso residencial Redes de acesso institucionais (escolas, bancos, empresas) Redes de acesso móveis Lembre-se : Qual a largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso? Compartilhado ou dedicado? Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História 31

32 Redes de acesso Residencial: Modem discado: até 56Kbps ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): banda larga: até 8Mbps downlink HFC (Hybrid Fiber Coaxial): TV a cabo; acesso compartilhado das casas de um condomínio ou um bairro Acesso residencial: ponto-a-ponto Modem discado Até 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos na prática) Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar sempre on-line ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line Até 3.5 Mbps de upstream (hoje tipicamente < 256 kbps) Até 24 Mbps de downstream (hoje tipicamente < 1 Mbps) FDM: 50 khz 1 MHz para downstream 4 khz 50 khz para upstream 0 khz 4 khz para telefonia comum 32

33 Acesso residencial: ponto-a-ponto ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line 65 Acesso residencial: redes a cabo HFC: híbrido fibra e coaxial Assimétrico: até 30 Mbps downstream, 2 Mbps upstream Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro Deployment: disponível via companhias de TV a cabo 33

34 Acesso residencial: redes a cabo Tipicamente 500 a casas ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa Acesso residencial: redes a cabo ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa 34

35 Acesso residencial: redes a cabo servidor(es) ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa Acesso residencial: redes a cabo FDM: V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O canais V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa 35

36 Acesso institucional A rede local (LAN) da companhia/universidade conecta sistemas finais ao roteador de acesso Ethernet: Cabo compartilhado ou dedicado conecta sistemas finais e o roteador 10 Mbs, 100 Mbps, Gigabit Ethernet Acesso Sem fio Rede de acesso sem fio compartilhada conecta sistemas finais ao roteador Através de ponto de acesso da estação base LANs sem fio: b (WiFi): 11 Mbps Wide-area de acesso sem fio Provido pelo operador de telecomunicacao (telco) Terceira geracao (3G): ~ 384 kbps O que acontecerá WAP/GPRS na Europa 36

37 Meios Físicos Bit: propaga-se entre os pares transmissor/ receptor Enlace físico: meio que fica entre o transmissor e o receptor Meios guiados: Os sinais se propagam em meios sólidos com caminho fixo: cobre, fibra ótica Ex.: Twisted Pair (TP) Par de fios trançados de cobre isolados Categoria 3: taxas de transmissão até 10 Mbps Categoria 5: 100 Mbps Ethernet Meios não guiados: Propagação livre. Ex.: rádio Meios Físicos Cabo coaxial: Dois condutores de cobre concêntricos Bidirecional banda base: Um único sinal presente no cabo Legado da Ethernet Banda larga: Canal múltiplo no cabo Cabo de fibra óptica: Fibra de vidro transportando pulsos de luz, cada pulso é um bit Alta velocidade de operação: Alta velocidade com transmissão ponto-a-ponto (ex.: 5 Gps) Baixa taxa de erros Repetidores bem espaçados; imunidade a ruídos eletromagnéticos 37

38 Meios Físicos Rádio Sinal eletromagnético Não há fios físicos (i.e., wireless) Ominidirecional ou Direcional O ambiente afeta a propagação (problema: multipath fading): Reflexão Obstrução por objetos Interferência Meios Físicos Tipos de canais de rádio: Microondas terrestre Canais de até 45 Mbps LAN (ex.: WiFi) 2 Mbps, 11 Mbps, 54 Mbps Wide-area (ex.: celular) Celular terceira geracao (3G): centenas de Kbps Satélite Canal de até 50 Mbps (ou vários canais menores) 270 ms de atraso fim-a-fim Geossíncrono versus LEOS 76 38

39 Topologias de redes Classificação das redes quanto à topologia: Completamente conectada Parcialmente conectada Topologias de redes Classificação das redes quanto à topologia: Topologia em barra Topologia em anel Topologia em estrela 39

40 Topologias de redes Topologia Lógica X Topologia Física Qual a melhor topologia? Por quê? Parâmetros de comparação Confiabilidade O que acontece se uma estação sai do ar? Desempenho As mensagens chegam ao seu destino dentro de um tempo satisfatório? O que acontece com a rede em momentos de pico de tráfego entre as estações? Topologias de redes Parâmetros de comparação Custo Quanto custa implantar esta rede? Possibilidade de expansão Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede? Retardo de transferência Soma dos retardos de acesso com o de transmissão Retardo de acesso: intervalo de tempo entre a geração da mensagem a transmitir e o momento em que a estação recebe o direito de transmiti-la no meio sem que haja colisão com outras mensagens Retardo de transmissão: tempo decorrido entre o início da transmissão da mensagem até seu completo recebimento pela estação de destino 40

41 Estrutura da Internet Rede de redes Grosseiramente hierárquica No centro: ISPs de zona-1 (ex.: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura nacional/internacional A Zona-1 provê interconexão (peer) de modo privativa ISP Zona-1 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-1 A Zona-1 também provê interconexão nos pontos de acesso (NAPs) da rede pública Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História 41

42 ISP de Zona-1 (AT & T) Estrutura da Internet ISPs de Zona-2 : ISPs menores (freqüentemente regionais) Conectam-se a um ou mais ISPs de Zona-1, possivelmente a outros ISPs de Zona-2 ISP de Zona-2 paga ao ISP de Zona-1 pela conectividade ao resto da Internet ISP de Zona-2 é cliente do provedor de Zona-1 ISP Zona-2 ISP Zona-2 ISP Zona-1 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP Zona-2 ISPs de Zona- 2 também provêem conexão privativamente entre si, interconexão em NAP ISP Zona-2 42

43 Estrutura da Internet ISPs de Zona-3 e ISPs locais Última rede de acesso ( hop ) (mais próxima dos sistemas finais) ISPs locais e de Zona-3 são clientes dos ISPs de zonas mais altas conectando-os ao resto da Internet ISP locad ISP local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP local ISP Zona-1 ISP locad ISP Zona-2 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP local ISP Zona-2 ISP local Estrutura da Internet Um pacote passa através de muitas redes ISP local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-1 ISP local Tier-2 ISP NAP ISP local ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-2 ISP local 43

44 Como perdas e atrasos ocorrem? Filas de pacotes em buffers de roteadores Taxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do link de saída Fila de pacotes esperam por sua vez pacote sendo transmitido (atraso) A B enfileiramento de pacotes (atraso) buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História 44

45 Quatro fontes de atraso de pacotes 1. Processamento nos nós: Verifica erros de bit Determina link de saída 2. Enfileiramento Tempo de espera no link de saída para transmissão Depende do nível de congestionamento do roteador Atraso em redes de comutação de pacotes 3. Atraso de transmissão: R= largura de banda do link (bps) L= tamanho do pacote (bits) Tempo para enviar bits ao link = L/R 4. Atraso de propagação: d = comprimento do link físico s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/s) Atraso de propagação = d/s Nota: s e R são medidas muito diferentes! 45

46 Analogia da caravana 100 km 100 km caravana de 10 carros pedágio pedágio Carros se propagam a 100 km/h Pedágios levam 12 s para atender um carro (tempo de transmissão) Carro = bit; caravana = pacote P.: Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2 o pedágio? Tempo para empurrar a caravana toda pelo pedágio até a estrada = = 120 s Tempo para o último carro se propagar do 1 o ao 2 o pedágio: 100 km/(100 km/h) = 1 h R.: 62 minutos Analogia de caravana 100 km 100 km caravana de 10 carros pedágio pedádio Agora os carros se propagam a 1000 km/h Agora o pedágio leva 1 min para atender um carro P.: Alguns carros chegarão ao 2 o pedágio antes que todos os carros tenham sido atendidos no 1 o pedágio? R.: Sim! Após 7 min, o 1 o carro está no 2 o pedágio e ainda restam 3 carros no 1 o pedágio. 1 o bit do pacote pode chegar ao 2 o roteador antes que o pacote seja totalmente transmitido pelo 1 o roteador! 46

47 Atraso nodal d n o = d p ro c + d fila + d tra n s + d p ro p d proc = atraso de processamento Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos d fila = atraso de fila Depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão = L/R, significante para links de baixa velocidade d prop = atraso de propagação Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos Camadas de protocolos Redes são complexas Muitos componentes: Hospedeiros Roteadores Enlaces de vários tipos Aplicações Protocolos Hardware, software QUESTÃO: Há alguma esperança de organizar a arquitetura de uma rede? Ou pelo menos nossa discussão sobre redes? 47

48 Redes de Computadores e a Internet O que é Internet? Protocolos de comunicação em redes Borda da rede Núcleo da rede Acesso à rede e meio físico Estrutura da Internet e ISPs Atraso e perda em redes de comutação de pacotes Camadas de protocolo, modelos de serviço História Organização de uma viagem aérea Uma série de passos 48

49 Camadas de funcionalidades da companhia aérea Camadas: cada camada implementa um serviço Via suas próprias ações internas Confiando em serviços fornecidos pela camada inferior Por que as camadas? Convivendo com sistemas complexos: A estrutura explícita permite identificação, o relacionamento das partes de um sistema complexo Um modelo de referência em camadas permite a discussão da arquitetura Modularização facilita a manutenção, atualização do sistema As mudanças na implementação de uma camada são transparentes para o resto do sistema Ex.: novas regras para embarque de passageiros não afetam os procedimentos de decolagem 49

50 Pilha de protocolos da Internet Aplicação: suporta as aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP Transporte: transferência de dados hospedeiro-hospedeiro (fim-a-fim) TCP, UDP Rede: roteamento de datagramas da origem ao destino IP, protocolos de roteamento Enlace: transferência de dados entre elementos vizinhos da rede PPP, Ethernet Física: transmissão física dos bits nos canais Encapsulamento 50

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